Методы улучшения качества воды

Использование природных вод открытых водоемов, а иногда и подземных вод в целях хозяйственно-питьевого водоснабже­ния практически невозможно без предварительного улучшения свойств воды и ее обеззараживания. Чтобы качество воды со­ответствовало гигиеническим требованиям, применяют предва­рительную обработку, в результате которой вода освобождается от взвешенных частиц, запаха, привкуса, микроорганизмов и различных примесей. Такое улучшение свойств воды достига­ется на водопроводных станциях.

Для улучшения качества воды применяются следующие методы: 1) очистка — удаление взвешенных частиц; 2) обеззараживание — уничтожение микроорганизмов; 3) специальные методы улучшения органолептических свойств воды, умягчение, удаление некоторых химических веществ, фторирование и др.

Очистка воды. Очистка является важным этапом в общем ком­плексе методов улучшения качества воды, так как улучшает ее физические и органолептические свойства. При этом в процессе удаления из воды взвешенных частиц удаляется и значительная часть микроорганизмов, в результате чего полная очистка воды позволяет легче и экономичнее осуществлять обеззараживание. Очистка осуществляется механическим (отстаивание), физиче­ским (фильтрование) и химическим (коагуляция) методами.

Отстаивание, при котором происходит осветление и частич­ное обесцвечивание воды, осуществляется в специальных соору­жениях — отстойниках. Используются две конструкции отстой­ников: горизонтальные и вертикальные. Принцип их действия состоит в том, что благодаря поступлению через узкое отверстие и замедленному протеканию воды в отстойнике основная масса взвешенных частиц оседает на дно. Процесс отстаивания в от­стойниках различной конструкции продолжается в течение 2— 8 ч. Однако мельчайшие частицы, в том числе значительная часть микроорганизмов, не успевают осесть. Поэтому отстаива­ние нельзя рассматривать как основной метод очистки воды.

Фильтрация — процесс более полного освобождения воды от взвешенных частиц, заключающийся в том, что воду пропуска­ют через фильтрующий мелкопористый материал, чаще всего через песок с определенным размером частиц. Фильтруясь, во­да оставляет на поверхности и в глубине фильтрующего мате­риала взвешенные частицы. На водопроводных станциях фильтрация применяется после коагуляции. В санитарной практике используются медленные и быстрые фильтры, фильтр АКХ (Академии коммунального хозяйства).

В настоящее время начали применяться кварцево-антраци­товые фильтры, значительно увеличивающие скорость фильт­рации.

Для предварительной фильтрации воды используются мик­рофильтры для улавливания зоопланктона — мельчайших вод­ных животных, и фитопланктона — мельчайших водных расте­ний. Эти фильтры устанавливают перед местом водозабора или перед очистными сооружениями.

Коагуляция представляет собой химический метод очистки воды. Преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет освободить воду от загрязнений, находящихся в виде взвешенных частиц, не под дающихся удалению с помощью от­стаивания и фильтрации. Сущность коагуляции заключается в добавлении к воде химического вещества — коагулянта, спо­собного реагировать с находящимися в ней бикарбонатами. В результате этой реакции образуются крупные, довольно тяже­лые хлопья, несущие положительный заряд. Оседая вследствие собственной тяжести, они увлекают за собой находящиеся в во­де во взвешенном состоянии частицы загрязнений, заряженные отрицательно, и тем самым способствуют довольно быстрой очистке воды. За счет этого процесса вода становится прозрач­ной, улучшается показатель цветности.

В качестве коагулянта в настоящее время наиболее широко применяется сульфат алюминия, образующий с бикарбонатами воды крупные хлопья гидроксида алюминия. Для улучшения процесса коагуляции используются высокомолекулярные флоккулянты: щелочной крахмал, флоккулянты ионного типа, активизированная кремниевая кислота и другие синтетические препараты, производные акриловой кислоты, в частности по­лиакриламид (ПАА).

В настоящее время в водопроводной системе применяется установка, заменяющая весь комплекс очистных сооружений обычного типа и работающая по схеме: коагуляция — отстаи­вание — фильтрация. Она называется контактным осветлите­лем и представляет собой бетонный резервуар, заполненный гравием и песком на высоту 2,3—2,6 м. Вода подается через систему труб в нижнюю часть осветлителя, а коагулянт вводит­ся непосредственно в трубопровод перед поступлением воды в осветлитель. Коагуляция происходит в нижних крупнозерни­стых частях осветлителя, а в верхних задерживаются хлопья коагулянта и другие взвешенные вещества.

Обеззараживание. Уничтожение микроорганизмов является последним завершающим этапом обработки воды, обеспечиваю­щим ее эпидемиологическую безопасность. Для обеззараживания воды применяются химические (реагентные) и физические (безреа- гентные) методы. В лабораторных условиях для небольших объе­мов воды может быть использован механический метод.

Химические (реагентные) методы обеззараживания основаны на добавлении к воде различных химических ве­ществ, вызывающих гибель находящихся в воде микроорганиз­мов. Эти методы достаточно эффективны. В качестве реагентов могут быть использованы различные сильные окислители: хлор и его соединения, озон, йод, перманганат калия, некоторые со­ли тяжелых металлов, серебро.

В санитарной практике наиболее надежным и испытанным способом обеззараживания воды является хлорирование. На водопроводных станциях оно производится при помощи газо­образного хлора и растворов хлорной извести. Кроме этого, мо­гут использоваться такие соединения хлора, как гипохлорат на­трия, гипохлорит кальция, двуокись хлора.

Механизм действия хлора заключается в том, что при добав­лении его к воде он гидролизуется, в результате чего происхо­дит образование хлористоводородной и хлорноватистой кислот:

С1₂ + Н₂0 = НС1 + НОС1.

Хлорноватистая кислота в воде диссоциирует на ионы водо­рода (Н) и гипохлоритные ионы (ОС1), которые наряду с дис­социированными молекулами хлорноватистой кислоты облада­ют бактерицидным свойством. Комплекс (НОС1 + ОС1) назы­вается свободным активным хлором.

Бактерицидное действие хлора осуществляется главным обра­зом за счет хлорноватистой кислоты, молекулы которой малы, имеют нейтральный заряд и поэтому легко проходят через обо­лочку бактериальной клетки. Хлорноватистая кислота воздейст­вует на клеточные ферменты, в частности на SH-группы, нару­шает обмен веществ микробных клеток и способность микроор­ганизмов к размножению. В последние годы установлено, что бактерицидный эффект хлора основан на угнетении ферментов — катализаторов окислительно-восстановительных процессов, обеспечивающих энергетический обмен бактериальной клетки.

Обеззараживающее действие хлора зависит от многих факто­ров, среди которых доминирующими являются биологические особенности микроорганизмов, активность действующих пре­паратов хлора, состояние водной среды и условия, в которых производится хлорирование.

Процесс хлорирования зависит от стойкости микроорганиз­мов. Наиболее устойчивыми являются спорообразующие. Сре­ди неспоровых отношение к хлору различное, например брюш­нотифозная палочка менее устойчива, чем палочка паратифа, и т. д. Важным является массивность микробного обсемене­ния: чем она выше, тем больше хлора нужно для обеззаражи­вания воды. Эффективность обеззараживания зависит от актив­ности используемых хлорсодержащих препаратов. Так, газооб­разный хлор более эффективен, чем хлорная известь.

Большое влияние на процесс хлорирования оказывает состав воды; процесс замедляется при наличии большого количества органических веществ, так как большее количество хлора ухо­дит на их окисление, и при низкой температуре воды. Сущест­венным условием хлорирования является правильный выбор дозы. Чем выше доза хлора и чем продолжительнее его контакт с водой, тем более высоким будет обеззараживающий эффект.

Хлорирование производится после очистки воды и является заключительным этапом ее обработки на водопроводной стан­ции. Иногда для усиления обеззараживающего эффекта и для улучшения коагуляции часть хлора вводят вместе с коагулян­том, а другую часть, как обычно, после фильтрации. Такой ме­тод называется двойным хлорированием.

Различают обычное хлорирование, т. е. хлорирование нор­мальными дозами хлора, которые устанавливаются каждый раз опытным путем, суперхлорирование, т. е. хлорирование повы­шенными дозами.

Хлорирование нормальными дозами применяется в обычных условиях на всех водопроводных станциях. При этом большое значение имеет правильный выбор дозы хлора, что обусловли­вается степенью хлорпоглощаемости воды в каждом конкрет­ном случае.

Для достижения полного бактерицидного эффекта определяется оптимальная доза хлора, которая складывается из количества ак­тивного хлора, которое необходимо для: а) уничтожения микроор­ганизмов; б) окисления органических веществ и количества хлора, которое должно остаться в воде после ее хлорирования для того, чтобы служить показателем надежности хлорирования. Это ко­личество называется свободным остаточным хлором. Его норма 0,3—0,5 мг/л, при остаточном связанном хлоре 0,8—1,2 мг/л. Не­обходимость нормирования этих количеств связана с тем, что при наличии свободного остаточного хлора менее 0,3 мг/л его может быть недостаточно для обеззараживания воды, а при дозах выше 0,5 мг/л вода приобретает неприятный специфический запах хлора.

Главными условиями эффективного хлорирования воды яв­ляются перемешивание ее с хлором, контакт между обеззара­живаемой водой и хлором в течение 30 мин в теплое время года и 60 мин в холодное время.

На крупных водопроводных станциях для обеззараживания воды применяется газообразный хлор. Для этого жидкий хлор, доставляемый на водопроводную станцию в цистернах или бал­лонах, перед применением переводится в газообразное состоя­ние в специальных установках — хлораторах, с помощью кото­рых обеспечиваются автоматическая подача и дозирование хлора. Наиболее часто хлорирование воды производится 1 % раство­ром хлорной извести. Хлорная известь представляет собой про­дукт взаимодействия хлора и гидроксида кальция в результате реакции:

2Са(ОН)₂ + 2С1₂ = Са(ОС1)₂ + СаС1₂ + 2Н₂0.

Техническая хлорная известь содержит обычно около 35 % активного хлора. При хранении ее в сыром помещении, на свету и при высокой температуре она разлагается и значительно сни­жает свою активность. Для обеззараживания воды допускается использование хлорной извести, содержащей не менее 25 % ак­тивного хлора. Поэтому, прежде чем использовать хлорную из­весть для хлорирования воды, необходимо определить в ней процентное содержание активного хлора.

Суперхлорирование (гиперхлорирование) воды проводится по эпидемиологическим показаниям или в условиях, когда невоз­можно обеспечить необходимый контакт воды с хлором (в тече­ние 30 мин). Обычно оно применяется в военно-полевых усло­виях, экспедициях и других случаях и производится дозами, в 5—10 раз превышающими хлорпоглощаемость воды, т. е. 10— 20 мг/л свободного хлора. Время контакта между водой и хлором при этом сокращается до 15—10 мин. Суперхлорирование имеет ряд преимуществ. Основными из них являются значительное со­кращение времени хлорирования, упрощение его техники, так как нет необходимости определять остаточный хлор и дозу, и возможность обеззараживания воды без предварительного осво­бождения ее от мути и осветления. Недостатком гиперхлориро­вания является сильный запах хлора, но его можно устранить до­бавлением к воде тиосульфата натрия, активированного угля, сернистого ангидрида и других веществ (дехлорирование).

На водопроводных станциях иногда проводят хлорирование с преаммонизацией. Этот метод применяется в тех случаях, когда обеззараживаемая вода содержит фенол или другие вещества, которые придают ей неприятный запах. Для этого в обеззара­живаемую воду вначале вводят аммиак или его соли, а затем, через 1—2 мин, — хлор. При этом образуются хлорамины, об­ладающие сильным бактерицидным свойством.

К химическим методам обеззараживания воды относится озо­нирование. Озон является нестойким соединением. В воде он разлагается с образованием молекулярного и атомарного кисло­рода, с чем связана сильная окислительная способность озона. В процессе его разложения образуются свободные радикалы ОН и Н0₂, обладающие выраженными окислительными свойствами. Озон имеет высокий окислительно-восстановительный потен­циал, поэтому его реакция с органическими веществами, нахо­дящимися в воде, происходит более полно, чем у хлора. Меха­низм обеззараживающего действия озона аналогичен действию хлора: являясь сильным окислителем, озон повреждает жизненно важные ферменты микроорганизмов и вызывает их гибель. Имеют­ся предположения, что он действует как протоплазматический яд.

Преимущество озонирования перед хлорированием заключа­ется в том, что при этом способе обеззараживания улучшаются вкус и цвет воды, поэтому озон может быть использован одно­временно для улучшения ее органолептических свойств. Озо­нирование не оказывает отрицательного влияния на минераль­ный состав и pH воды. Избыток озона превращается в кисло­род, поэтому остаточный озон не опасен для организма и не влияет на органолептические свойства воды. Контроль за озо­нированием менее сложен, чем за хлорированием, так как озо­нирование не зависит от таких факторов, как температура, pH воды и т. д. Для обеззараживания воды необходимая доза озона в среднем равна 0,5—6 мг/л при экспозиции 3—5 мин. Озони­рование производится при помощи специальных аппаратов — озонаторов.

При химических способах обеззараживания воды используют также олигодинамические действия солей тяжелых металлов (серебра, меди, золота). Олигодинамическим действием тяже­лых металлов называется их способность оказывать бактери­цидный эффект в течение длительного срока при крайне малых концентрациях. Механизм действия заключается в том, что по­ложительно заряженные ионы тяжелых металлов вступают в воде во взаимодействие с микроорганизмами, имеющими отрицательный заряд. Происходит электроадсорбция, в результате которой они проникают в глубь микробной клетки, образуя в ней альбуминаты тяжелых металлов (соединения с нуклеиновыми кислотами), в ре­зультате чего микробная клетка погибает. Данный метод обычно применяется для обеззараживания небольших количеств воды.

Перекись водорода давно известна как окислитель. Ее бак­терицидное действие связано с выделением кислорода при раз­ложении. Метод применения перекиси водорода для обеззара­живания воды в настоящее время еще полностью не разработан.

Химические, или реагентные, способы обеззараживания воды, основанные на добавлении к ней того или иного химического вещества в определенной дозе, имеют ряд недостатков, которые заключаются главным образом в том, что большинство этих ве­ществ отрицательно влияет на состав и органолептические свойства воды. Кроме того, бактерицидное действие этих ве­ществ проявляется после определенного периода контакта и не всегда распространяется на все формы микроорганизмов. Все это явилось причиной разработки физических методов обезза­раживания воды, имеющих ряд преимуществ по сравнению с химическими. Безреагентные методы не оказывают влияния на состав и свойства обеззараживаемой воды, не ухудшают ее ор­ганолептических свойств. Они действуют непосредственно на структуру микроорганизмов, вследствие чего обладают более широким диапазоном бактерицидного действия. Для обеззара­живания необходим небольшой период времени.

Наиболее разработанным и изученным в техническом отноше­нии методом является облучение воды бактерицидными (ультра­фиолетовыми) лампами. Наибольшим бактерицидным свойством обладают УФ-лучи с длиной волны 200—280 нм; максимум бакте­рицидного действия приходится на длину волны 254—260 нм. Ис­точником излучения служат аргонно-ртутные лампы низкого давления (БУВ) и ртутно-кварцевые лампы (ПРК и РКС).

Для обеззараживания воды применяются специальные уста­новки (напорные и безнапорные). Для обеззараживания боль­шого объема воды используется установка ОВ-АКХ-1 большой производительности с применением бактерицидных ламп ПРК.

На небольших водопроводах используются аргонно-ртутные лампы низкого давления (БУВ-15, БУВ-30, БУВ-ЗОП). Обезза­раживание воды наступает быстро, в течение 1—2 мин. При обез­зараживании воды УФ-лучами погибают не только вегетативные формы микробов, но и споровые, а также вирусы, яйца гельмин­тов, устойчивые к воздействию хлора. Применение бактерицид­ных ламп не всегда возможно, так как на эффект обеззаражива­ния воды УФ-лучами влияют мутность, цветность воды, содер­жание в ней солей железа. Поэтому, прежде чем обеззараживать воду таким способом, ее необходимо тщательно очистить.

Из всех имеющихся физических методов обеззараживания воды наиболее надежным является кипячение. В результате ки­пячения в течение 3—5 мин погибают все имеющиеся в ней микроорганизмы, а после 30 мин вода становится полностью стерильной. Несмотря на высокий бактерицидный эффект, этот метод не находит широкого применения для обеззаражи­вания больших объемов воды. Его можно использовать в быту, детских учреждениях и т. д. Недостатком кипячения является ухудшение вкуса воды, наступающего в результате улетучива­ния газов, и возможность более быстрого развития микроорга­низмов в кипяченой воде.

К физическим методам обеззараживания воды относится ис­пользование импульсного электрического разряда, ультразвука и ионизирующего излучения. В настоящее время эти методы широкого практического применения не находят.

Необходимость обеззараживания индивидуальных запасов воды (во фляге и т. д.) возникает в полевых, экспедиционных и других условиях. Для этой цели применяются главным образом химические методы. Обеззараживание производится специаль­ными таблетками пантоцида (парадихлорсульфамидбензойная кислота), изготовленными из органических хлораминов. Одна таблетка должна содержать не менее 3 мг активного хлора. Обеззараживание воды наступает в течение 30 мин. Недостатком этих таблеток является продолжительное их растворение. Они плохо обеззараживают воду, содержащую гуминовые и другие органические вещества. Кроме таблеток пантоцида, применя­ются персульфатные таблетки, перекисные соединения в соче­тании с солями серебра и меди, бисульфатпантоцидные таблет­ки и йодорганические соединения.

Специальные способы улучшения качества воды. Помимо ос­новных методов очистки и обеззараживания воды, в некоторых случаях возникает необходимость производить специальную ее обработку. В основном эта обработка направлена на улучшение минерального состава воды и ее органолептических свойств.

Дезодорация — удаление посторонних запахов и привку­сов. Необходимость проведения такой обработки обусловлива­ется наличием в воде запахов, связанных с жизнедеятельностью микроорганизмов, грибов, водорослей, продуктов распада и разложения органических веществ. С этой целью применяются такие методы, как озонирование, углевание, хлорирование, об­работка воды перманганатом калия, перекисью водорода, фто­рирование через сорбционные фильтры, аэрация.

Дегазация воды — удаление из нее растворенных дур- нопахнущих газов. Для этого применяется аэрация, т. е. раз­брызгивание воды на мелкие капли в хорошо проветриваемом помещении или на открытом воздухе, в результате чего проис­ходит выделение газов.

Умягчение воды — полное или частичное удаление из нее катионов кальция и магния. Умягчение проводится специ­альными реагентами или при помощи ионообменного и терми­ческого методов.

Опреснение (обессоливание) воды чаще производится при подготовке ее к промышленному использованию. Частич­ное опреснение воды осуществляется для снижения содержания в ней солей до тех величин, при которых воду можно использо­вать для питья (ниже 1000 мг/л). Опреснение достигается дис­тилляцией воды, которая производится в различных опресни­телях (вакуумные, многоступенчатые, гелиотермические), ио- нитовых установках, а также электрохимическим способом и методом вымораживания.

Обезжелезивание — удаление из воды железа произво­дится аэрацией с последующим отстаиванием, коагулировани­ем, известкованием, катионированием. В настоящее время раз­работан метод фильтрования воды через песчаные фильтры.

Обесфторивание — освобождение природных вод от из­быточного количества фтора. С этой целью применяют метод осаждения, основанный на сорбции фтора осадком гидроокиси алюминия и других адсорбентов.

При недостатке в воде фтора ее фторируют. В случае загряз­нения воды радиоактивными веществами ее подвергают дезак­тивации, т. е. удалению радиоактивных веществ.